[发明专利]一种非极性GaN薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在新型衬底(100)LiAlO₂材X料上利用量产型MOCVD(金属有 机物化学气相淀积)技术生长的GaN薄膜及其方法，尤其是指利用MOCVD技术改 善铝酸锂衬底上非极性GaN薄膜表面形貌的方法。

背景技术

以GaN为代表的新一代半导体材料以其宽直接带隙(Eg＝3.4eV)、高热导率、 高硬度、高化学稳定性、低介电常数、抗辐射等特点获得了人们的广泛关注，在 固态照明、固体激光器、光信息存储、紫外探测器等领域都有巨大的应用潜力。 按中国2002年的用电情况计算，如果采用固态照明替代传统光源，一年可以省 下三峡水电站的发电量，有着巨大的经济、环境和社会效益；而据美国能源部测 算，到2010年，全美半导体照明行业产值将达500亿美元。在光信息存储方面， 以GaN为基础的固体蓝光激光器可大幅度提高光存储密度。正因为这些优点，GaN 及其合金被寄予厚望。高亮度InGaN/GaN量子阱结构LEDs已经商品化。

衬底材料对于外延薄膜的质量有着重要影响。目前GaN体单晶材料生长十分 困难，有报道说GaN在压力为60-70kbar、温度为2300℃下还不熔化。生长条件 通常是高温高压，代价昂贵，不利于商业化，因此目前的应用大多是在c向蓝宝 石上做异质外延。使用c向蓝宝石的一个重大缺点是其与GaN薄膜的晶格失配高 达13.6％，虽然通过缓冲层技术可以弥补这一缺点，但是这样严重的失配仍然会 导致外延膜中有着高密度的缺陷，从而降低器件效率。另外，GaN薄膜通常是沿 着其极性轴c轴方向生长的，由自发极化和压电效应而产生的强大的内建电场大 大地降低了发光效率。采用新型LiAlO₂衬底有望解决这两个问题。LiAlO₂衬底与 GaN薄膜晶格失配小，只有1.4％，而且在LiAlO₂上生长的是非极性的GaN薄膜， 可以消除内建电场对于发光效率的限制作用。

中国专利公开号为CN101364631，公开日为2009年2月11日，名称为“一 种非极性GaN薄膜及其生长方法”的申请案公开了一种非极性GaN薄膜及其生长 方法，在金属有机物化学气相淀积(MOCVD)系统中，在铝酸锂(LiALO₂)衬底上，在 N₂保护下，升温到800-900℃，生长低温保护层，低温保护层反应室压力为 150-500torr，三甲基镓(TMGa)流量为1-50sccm，然后降低压力至100-300torr， 升温到1000-1100℃继续生长非掺杂氮化镓(U-GaN)层，TMGa流量为10-200sccm， 然后再升温到1150-1200℃，生长高温U-GaN约100nm，然后再降温到1000-1100 ℃生长U-GaN。通过生长低温保护层，保护铝酸锂衬底不被高温破坏，短暂的高温 U-GaN的目的是改善生长的GaN薄膜的表面平整度。

但是，在(100)面LiAlO₂衬底上生长非极性m面(10-10)GaN薄膜很容易 出现狭长的条纹，这些条纹的存在一方面降低了薄膜质量和表面平整度，另一方 面成为来源于LiAlO₂衬底的杂质锂扩散的一个途径，对于LED器件是非常不利 的。

鉴于此，有必要提供一种新的在铝酸锂衬底上生长非极性GaN薄膜的方法以 避免上述问题的存在。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种非极性GaN薄膜及其制备方法，可以 有效改善铝酸锂(LiAlO₂)衬底上非极性m(10-10)面GaN薄膜的表面形貌。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种非极性GaN薄膜，其利用MOCVD技术在LiAlO₂衬底上合成生长，该薄 膜包括：LiAlO₂衬底以及在该衬底上依次生长的低温保护层、U-AlGaN层和高温 U-GaN层。

其中，所述LiAlO₂衬底为(100)面LiAlO₂衬底。

所述低温保护层为U-GaN层。

一种上述非极性GaN薄膜的制备方法，该方法包括如下步骤：